Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5503
Main Title: Efficient modelling of linear electronic polarization in materials using atomic response functions
Translated Title: Effiziente Modellierung der linearen elektronischen Polarisation in Materialien mithilfe atomarer Antwortfunktionen
Author(s): Gobre, Vivekanand V.
Advisor(s): Tkatchenko, Alexandre
Referee(s): Schöll, Eckehard
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The study of matter interacting with external fields is important to understand and design materials with desired (opto)electronic properties. Reliable methods for the accurate and efficient calculation of the dynamic polarizability of molecules and solids are required for modeling a multitude of spectroscopic techniques, including optical absorption and refraction, Raman spectroscopy, and circular dichroism. Efficient prediction of electronic response properties is also necessary for the calculation of van der Waals (vdW) interactions, and coupling between nuclear and electronic degrees of freedom in materials. In principle, explicitly correlated wave function based first-principles techniques could be utilized to determine electronic response properties. However these methods can be only applied to rather small systems and become prohibitively expensive to study complex materials containing thousands of atoms. To address this problem, we developed an efficient non-empirical method for calculating linear response properties of non-metallic molecules and solids based on atomic response functions that describe valence atomic excitations. This is achieved by the synergistic coupling of the Tkatchenko-Scheffler (TS) method, which accurately treats short-range hybridization effects with the Dyson-like self-consistent screening (SCS) equation from classical electrodynamics. The present formulation builds upon and significantly improves an earlier version of the TS+SCS approach, by preserving QHO invariants, satisfying the free-atom dipole oscillator strength sum rule, and using the correct spin-polarized electron densities for the free atoms. Using only the ground state electron density obtained from first-principle density functional theory calculation and accurate free-atom reference data, we obtain a performance of 3.6% for static polarizabilities and 7.6% for vdW coefficients for a large database of gas-phase molecules (∼7500 systems). We further demonstrate the potential of the developed method for the prediction of peculiar scaling laws for vdW interactions in nanostructured materials and interfaces.
Die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Materie und externen Feldern ist bedeutend für das Verständnis (opto-) elektronischer Materialien und das Designen ihrer gewünschter Eigenschaften. Zuverlässige Methoden, um die dynamische Polarisierbarkeit von Molekülen und Festkörpern genau und effizient zu berechnen, wurden für die Modellierung verschiedenster spektroskopischer Techniken, wie z.B. optische Absorption und Brechung, Raman-Spektroskopie und Zirkulardichroismus, benötigt. Die effiziente Vorhersage der elektronischen Antwort ist ebenso für die Berechnung von van-der-Waals(vdW)-Wechselwirkungen und der Kopplung von Elektron- und Kernfreiheitsgraden notwendig. Prinzipiell kann die elektronische Antwort mit Hilfe von explizit korrelierten Wellenfunktionen aus ab-initio Methoden bestimmt werden. Jedoch ist dies nur für sehr kleine Systeme möglich und für das Studium komplexer Materialien mit mehr als 1000 Atomen unerschwinglich. Um dem Problem gerecht zu werden, berechnen wir mit einer effizienten und nicht-empirischen Methode die lineare Antwort von nicht-metallischen Molekülen und Festkörpern auf Grundlage atomarer Antwortfunktionen von Valenzatomanregungen. Dies wird durch die synergistische Kopplung der Tkatchenko-Scheffler-(TS)-Methode erreicht, die akkurat die kurzreichweitige Hybridisierungseffekte mit der Dyson-ähnlichen, selbkonsistenten Abschirmungs(SCS)-Gleichung aus der klassischen Elektrodynamik nähert. Die hier dargestellte Methode baut auf einer früheren Version des TS+SCS-Ansatzes auf und verbessert sie signifikant durch die Erhaltung von QHO-Invarianten, welche die Dipoloszillatorstärken-Summenregel für freie Atome erfüllt und die korrekte spinpolarisierte Elektronendichte der freien Atome verwendet. Wenn lediglich die Grundzustandselektronendichte aus einer ab-initio Dichtefunktionaltheorie-Rechnung und genaue Referenzdaten für die freien Atome verwendet werden, erhalten wir schon eine Genauigkeit von 3.6% für die statische Polarisierbarkeit und von 7.6% für die vdW-Koeffizienten in Bezug auf eine große Datenbank für Moleküle in der Gasphase (∼7500 Systeme). Weiterhin zeigen wir das Potential der von uns entwickelten Methode für die Vorhersage der sehr verschiedenartigen Potenzgesetze der vdW-Wechselwirkungen in nanostrukturierten Materialien und Grenzflächen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5910
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5503
Exam Date: 31-Aug-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 26-Sep-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
Subject(s): polarization
many-body physic
van der Waals forces
Polarisation
Mehr-Körper-System
Van-der-Waals-Kräfte
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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